Слайд 1 - MES conference

Тестирование
и предельные метрологические возможности
импульсно-потенциального АЦП в СнК
Крутчинский С.Г.
Жебрун Е.А.
ИТА ЮФУ, МНТЦ «МикАн»
sgkrutch@mail.ru
Исходные предпосылки
•
Доминирующими факторами, ограничивающими точность аналоговых
интерфейсов и АЦП являются:
- диапазон линейной работы по напряжению,
- дрейф нуля,
- неидеальность УВХ (для классических АЦП)
•
Диапазон линейной работы по напряжению задаётся преимущественно
технологическим процессом, особенно это следует учитывать при
использовании стандартных низковольтовых КМОП-транзисторов
•
Существуют два базовых подхода для компенсации влияния дрейфа
нуля аналоговых интерфейсов на точность АЦ-преобразования:
- испытания на стенде с созданием таблицы для коррекции изготовленных
схем
- внутрисистемная
коррекция
через
процедуру
инициализации
(встроенный ЦАП)
Преимущества использования импульснопотенциального АЦП
Методическая погрешность такого преобразования
периодом колебаний тактового генератора (2tfT) ;
Предельная разрядность
счётчиков цифровой части;
преобразования
определяется
определяется
емкостью
При использовании стандартной 0,18мкм КМОП технологии частота
счётчиков может достигать 2ГГц, что обеспечивает 6кГц частоту преобразования
при 16bit точности и 100кГц при 12bit;
Измерение "малых" величин осуществляется
точностью в силу принципа квантования по энергии ;
с
более
высокой
Структурные особенности АЦП обеспечивают:
• Оценку производной измеряемой величины;
• Возможность асинхронной работы параллельных каналов преобразования и
программируемого ядра МЭС;
• Интеграцию в смешанные СнК и СвК без специальных интерфейсов.
Структура АЦП импульсно-потенциального типа
Преобразование опорного
напряжения Еоп
uk(t)
U+
S=1
t0
Tп
S=0
t1
Tп/2
Tи
S=1
t2
Tп/2
S=0
S=1
t
t3
t4
t5
UПреобразование
измеряемой величины еx(t)
t0   (U  k / E0  e0 (1  k ) / E0 ),
U  U 
U  U 
.
Tи  k
, Tп  k
e x t  + E 0   2
Е0  1
1  U др1  E 0  E см ,
uk(t)
U+
tз
Tп
Tи
tп
tи
t
Uex ≠0
E0 ≠0
ex =0
E0 ≠0
E0 =0
интервал тестирования
ex ≠0
E0 ≠0
 2  U др2  U дрАИ  E 0  E см .
U  U 
tп  k
,
E0   2
1  0
U  U 
tи  k
,
1
T t t  Tп
e x  E0 и  и  п
;
Tп tп tи - Tи
T  Tп
Tи  Tи  Tп t и  t п 

.
ex  E0 и
 E0

Tп
t и  Tи  Tп
tп 
В случае влияния белого шума:
 U  U   x 

tи    k



1
1 

2
где  x - среднеквадратическое ( x  D x) значение случайной составляющей на выходе аналогового
интегратора.
Приращение длительности положительного импульса, вызванное влиянием случайных воздействий:
tи   x / 1
Если статический коэффициент усиления ОУ достаточно велик:
 2 (t )   02
x
Тогда:
tи 
tи

;  02  2G02 f n (для стационарного процесса с постоянным спектром от –fn до +fn)
0
tи
1
при двойной разрядности преобразования tи и наихудшего случая получим взаимосвязь параметров
проектирования АЦП при условии, что найденная погрешность не превышает погрешность метода
преобразования:
 n m 1  0
2

1
tи
1
для определения постоянной времени интегратора можно использовать неравенство:
2



  2n m1   1   t fT
 0 
Например, при диапазоне рабочих частот в 100кГц при fT=2ГГц, τ=150мкс,
n=12, m=4 оказывается достаточным при Δ1=100мкВ
Архитектура цифровой части
Управление работой счётчиков и вспомогательных регистров
Принцип взаимодействия
аналоговой части АЦП с системой
двоичных счётчиков
uk(t)
U+
tз
Tп
Tи
tп
tи
t
Uex ≠0
E0 ≠0
ex =0
E0 ≠0
E0 =0
ex ≠0
E0 ≠0
интервал тестирования
Временная диаграмма работы АЦП
в режиме тестирования
В случае использовании реверсивных счетчиков чувствительность измеряемых величин
минимизируется (Ти-Тп, tи-tп, tи-Ти)
uk(t)
U+
tз
Tп
Tи
tп
tи
t
Uex ≠0
E0 ≠0
ex =0
E0 ≠0
E0 =0
ex ≠0
E0 ≠0
интервал тестирования
1. be =0 , bE =0; (ex ≠0, E0≠0)
2. Измерение длительности Тп (заполнение СТ1)
3. Измерение длительности Ти (заполнение СТ3 в инкрементирующем режиме, декрементирование СТ2)
4. Измерение длительности tп (заполнение СТ1, декрементирование СТ4, be=1, bE=0 : ex=0, S1 разомкнут)
5. Измерение длительности tи (заполнение СТ2 в инкрементирующем режиме,
заполнение СТ4 в инкрементирующем режиме, be =0, bE =1 : E0=0, S2 разомкнут)
6. Начало основного цикла работы АЦП (be =0 , bE =0 : ex ≠0, E0≠0)
7. Измерение длительности Тп (заполнение СТ1, декрементирование СТ3)
8. Измерение длительности Ти (заполнение СТ3 в инкрементирующем режиме)
9. Реализация соотношения для вычисления ex :
e x  E0
E0·(RG32/RG12)+E0·(RG31/RG22)·(RG32/RG12-RG4/RG11)
Tи  Tп
Tи  Tи  Tп t и  t п 

.
 E0

Tп
t и  Tи  Tп
tп 
10. Переход к началу основного цикла работы АЦП (шаг 6) либо конец работы алгоритма
Основные выводы
Полученные в работе результаты тестирования влияния дрейфа нуля
аналоговых
трактов
на
результаты
АЦ-преобразования
позволяют
минимизировать действие доминирующих технологических погрешностей
изготовления полупроводниковых компонентов;
Управление опорным источником и отключение входной величины
может быть легко реализовано в современных MEMS мостового типа;
За счёт тестового периода (совокупности фаз) вычисляются
поправочная
составляющая
измеряемой
величины,
обеспечивающая
предельную точность преобразования;
При необходимости процедура тестирования может быть осуществлена
повторно в ходе работы системы;
Вводимый интервал тестирования не изменяет базовых свойств АЦП –
асинхронность, режим прямого доступа к ОЗУ результатов преобразования,
низкое влияние параметров аналоговых компонентов, а также возможность
оценки производной входной величины, низкое влияние шумов и импульсных
помех;
Совокупность указанных результатов обеспечивает импульснопотенциальному АЦП серьёзные преимущества в СФ блоках СнК,
ориентированных на датчиковую и диагностическую аппаратуру.